王曉建

泰國(guó)某水泥廠余熱發(fā)電站1號(hào)汽輪機(jī)組振動(dòng)的原因分析及處理

Reasons and Solutions for 1#Steam Turbine Unit Vibration of Waste Heat Power Station in a Thailand Cement Plant

王曉建

針對(duì)余熱電站1號(hào)機(jī)組試運(yùn)中存在的2號(hào)軸承振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，根據(jù)機(jī)組振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，即振動(dòng)相位等變化，結(jié)合振動(dòng)頻率的形式，得出機(jī)組具體振動(dòng)部件缺陷的結(jié)論，從而減小了查找機(jī)組振動(dòng)原因的困難程度。通過(guò)機(jī)組中振動(dòng)缺陷的分析判斷和處理，指出了機(jī)組轉(zhuǎn)子上采用錐度孔配合套裝連接的轉(zhuǎn)子部件，例如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器或無(wú)刷式勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子，應(yīng)有必要的檢驗(yàn)措施。同時(shí)綜述了安裝等應(yīng)注意的事項(xiàng)，對(duì)設(shè)備的監(jiān)造檢驗(yàn)、安裝和機(jī)組試運(yùn)均有一定的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器；松動(dòng)；瓢偏；振動(dòng)頻率；相位角

1　概述

泰國(guó)某水泥廠余熱發(fā)電工程是利用水泥生產(chǎn)線排放廢氣中的低溫余熱的發(fā)電機(jī)組。其汽輪機(jī)系杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為BN9-1.25/0.12，低參數(shù)單缸直聯(lián)冷凝式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)系濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的型號(hào)為QFW-12-2，單支座無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。2008年3月，機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)行時(shí)，在額定轉(zhuǎn)速工況下，在線的汽輪機(jī)重要參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表顯示，2號(hào)軸承處的軸振值為70μm以上，與汽輪機(jī)廠家聯(lián)鎖保護(hù)的給定值，各瓦處的軸振值＞70μm報(bào)警、＞100μm停機(jī)的要求不符。

機(jī)組各軸承振動(dòng)值超標(biāo)會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。其結(jié)果會(huì)加劇設(shè)備機(jī)械工作性能的降低或使機(jī)械根本無(wú)法工作，使某些零部件因受附加的動(dòng)載荷而加劇磨損、疲勞，甚至破裂，從而影響使用壽命或造成事故。

機(jī)組軸承振動(dòng)值大造成的損壞，較為常見(jiàn)的是軸承部件。例如軸瓦烏金的局部等部位，上半軸承烏金的破裂的現(xiàn)象較為普遍。由于軸瓦烏金的補(bǔ)焊和澆注工藝條件要求較為嚴(yán)格和復(fù)雜，很難保證烏金的修復(fù)質(zhì)量，多數(shù)機(jī)組只得對(duì)烏金破裂損壞等故障采取購(gòu)買備用軸瓦，檢修時(shí)更換的方式。

2　2號(hào)軸承振動(dòng)值超標(biāo)的檢查處理

2.1振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式

機(jī)組試運(yùn)使用測(cè)振儀，選擇速度傳感器接收軸承座的振動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)和分析振動(dòng)的變化。與在線的汽輪機(jī)重要參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表或一般測(cè)振表不同，其突出特點(diǎn)是，測(cè)振儀不僅能顯示振動(dòng)值的大小，而且能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)到的振動(dòng)值分解為1X、2X和0.5X等幾種頻率的諧波成分，既可顯示振動(dòng)頻率，又可顯示振動(dòng)的相位角，除了振動(dòng)的最大值，振動(dòng)角度也是可知的。借助于測(cè)振儀顯示的振幅、頻率和相位角，我們才有可能將一些復(fù)雜的振動(dòng)問(wèn)題通過(guò)分析判斷，得出較為正確的結(jié)論，使其缺陷得到迅速的處理。

根據(jù)測(cè)振儀的結(jié)果，與在線的汽輪機(jī)重要參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表顯示比較，可以看出，不僅2號(hào)軸振動(dòng)大，3號(hào)軸承也存在相同的振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。

2.2影響機(jī)組膨脹的各項(xiàng)檢查和處理

2008年3月24日，首先檢查汽缸臺(tái)板間隙，各立銷、橫銷間隙以及影響機(jī)組膨脹的汽水管道和支吊架等，確認(rèn)無(wú)異常，排除了造成機(jī)組振動(dòng)的各種隱患。

其次，復(fù)查和處理汽-發(fā)剛性聯(lián)軸器中心。如果是安裝因素造成軸承墊片接觸不實(shí)，或是各軸承墊塊的接觸調(diào)整有偏差，在試運(yùn)行中，各軸承將會(huì)趨于穩(wěn)定，造成汽-發(fā)聯(lián)軸器中心的改變，使機(jī)組的振動(dòng)增加。

根據(jù)檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，汽-發(fā)聯(lián)軸器的中心變化較大，出現(xiàn)嚴(yán)重超差。圓周偏差為0.24mm，端面偏差為0.145mm。

將汽-發(fā)聯(lián)軸器重新進(jìn)行中心調(diào)整至合格范圍后，機(jī)組3月26日和3月30日分別進(jìn)行了兩次啟動(dòng)。

額定轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)振儀顯示的2號(hào)和3號(hào)軸承的水平振動(dòng)值見(jiàn)表1。同其他兩個(gè)方向相比，2號(hào)和3號(hào)軸承的水平振動(dòng)值最大。

3　2號(hào)和3號(hào)軸承振動(dòng)情況及原因分析

3.1振動(dòng)相位角度顯示的變化

表1顯示的是機(jī)組第一次啟動(dòng)和調(diào)整處理汽-發(fā)聯(lián)軸器中心后，又進(jìn)行了兩次啟動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述記錄可知：

（1）2號(hào)和3號(hào)軸承的振動(dòng)相位角基本一致，同時(shí)變化。

（2）機(jī)組第一次啟動(dòng)時(shí)，在間隔10min內(nèi)，2號(hào)和3號(hào)軸承的振動(dòng)相位角同時(shí)出現(xiàn)范圍一致的變化。

（3）機(jī)組第二次和第三次啟動(dòng)相比較，在汽-發(fā)聯(lián)軸器未做任何中心調(diào)整的情況下，其2號(hào)和3號(hào)軸承的振動(dòng)相位角改變值均約為180°。

3.22號(hào)和3號(hào)軸承振動(dòng)值超標(biāo)的故障分析

3.2.1聯(lián)軸器松動(dòng)造成裝配傾斜變化

監(jiān)測(cè)的振動(dòng)頻率為1X頻。此類頻率的振動(dòng)大主要是由轉(zhuǎn)子的不平衡離心力大引起的。

檢查在轉(zhuǎn)子組裝動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)試加的平衡塊配重，確認(rèn)平衡塊在轉(zhuǎn)子平衡槽內(nèi)固定無(wú)誤。

經(jīng)查閱圖紙等資料確認(rèn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器為圓柱和孔配合的連接方式，配合緊力為0.30mm，加熱套裝聯(lián)軸器；而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器為1：10的錐度和孔配合的連接方式，配合緊力為0.09～0.14mm，即在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端的圓錐面上加熱套裝聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器的一個(gè)特點(diǎn)是，如果聯(lián)軸器孔的錐度和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配合處軸的錐度有偏差，則會(huì)在圓錐接觸面上出現(xiàn)線接觸配合，此時(shí)往往會(huì)伴隨有聯(lián)軸器傾斜和松動(dòng)現(xiàn)象，聯(lián)軸器傾斜使得不平衡增加，松動(dòng)可能使振幅加大，合格的振動(dòng)值變?yōu)椴缓细?，同時(shí)，還可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)相位角的變化。

2號(hào)和3號(hào)軸承振動(dòng)相位角度出現(xiàn)變化后，重新測(cè)量發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器端面瓢偏和圓周晃度，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)端面瓢偏和圓周晃度出現(xiàn)與安裝值不符的現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器端面瓢偏和圓周晃度值記錄見(jiàn)表2。

由表2的數(shù)據(jù)變化可以確認(rèn)，發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象。

分析認(rèn)為，因聯(lián)軸器松動(dòng)出現(xiàn)振動(dòng)增加，其振動(dòng)頻率也應(yīng)是屬于以1X頻為主要諧波的形式。

依據(jù)振動(dòng)特征及相關(guān)信息可以確定振動(dòng)的原因。目的是將可疑點(diǎn)盡量縮小，為有針對(duì)性處理缺陷提供依據(jù)。

表1　2號(hào)和3號(hào)軸承的水平振動(dòng)振動(dòng)值（1X頻）

首先，2號(hào)和3號(hào)軸承的振動(dòng)相位角同時(shí)變化，提示這個(gè)不平衡離心力同時(shí)影響了兩個(gè)軸承，應(yīng)在兩個(gè)軸承附近，而聯(lián)軸器正在兩軸承之間。

其次，在很短時(shí)間內(nèi)，2號(hào)和3號(hào)軸承的振動(dòng)相位角同時(shí)出現(xiàn)范圍一致變化，提示這個(gè)不平衡離心力方向是不穩(wěn)定的，而聯(lián)軸器的松動(dòng)也會(huì)是不穩(wěn)定的。

第三，2號(hào)和3號(hào)軸承的振動(dòng)相位角改變值均約為180°，提示只有轉(zhuǎn)子上的某一部件，出現(xiàn)對(duì)稱角度即180°位置的改變，或者取消這一部件，才會(huì)有如此的相位變化結(jié)果。如果是轉(zhuǎn)子取消的部件影響，那么還應(yīng)有足夠大的質(zhì)量，否則不會(huì)出現(xiàn)不平衡離心力朝相反方向的改變。而聯(lián)軸器的扭動(dòng)傾斜也會(huì)出現(xiàn)這一特征。

發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器端面瓢偏測(cè)量位置示意圖見(jiàn)圖1。發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器圓周晃度測(cè)量位置示意圖見(jiàn)圖2。發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器正常和傾斜示意圖見(jiàn)圖3。

表2　發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器瓢偏和晃度值

3.2.2其他影響

根據(jù)機(jī)組安裝時(shí)的檢查結(jié)果，發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器的端面瓢偏和徑向晃度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這足以保證，不會(huì)出現(xiàn)裝配時(shí)聯(lián)軸器的松動(dòng)造成裝配傾斜現(xiàn)象。

通過(guò)進(jìn)一步的測(cè)量檢查，才理解是由于相信聯(lián)軸器瓢偏的正確無(wú)誤，從而忽略了聯(lián)軸器也是可以由人為因素來(lái)改變的，即通過(guò)車削處理聯(lián)軸器端面的錯(cuò)誤處理方式，使其測(cè)量的基準(zhǔn)面瓢偏達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的要求。然而車削處理的結(jié)果無(wú)疑造成了聯(lián)軸器質(zhì)量的不平衡以及更為嚴(yán)重的聯(lián)軸器松動(dòng)隱患。

事實(shí)上，當(dāng)聯(lián)軸器出現(xiàn)裝配傾斜，而端面瓢偏不顯示時(shí)，采用很簡(jiǎn)單的方法即可發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即測(cè)量聯(lián)軸器各對(duì)稱點(diǎn)的端面厚度。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在聯(lián)軸器180°角的對(duì)稱兩點(diǎn)，端面厚度的差值為0.35mm，而剛性聯(lián)軸器端面瓢偏的標(biāo)準(zhǔn)為≤0.02mm。聯(lián)軸器的厚度出現(xiàn)如此大的偏差，充分表明上述經(jīng)過(guò)人為車削處理的分析是正確的。

3.2.32號(hào)軸承的自身剛度差

四軸瓦支撐的機(jī)組，特別是2和3號(hào)軸承為非落地式軸承的汽輪發(fā)電機(jī)組，由于軸系結(jié)構(gòu)剛度的原因，機(jī)組的振動(dòng)最大值一般表現(xiàn)在3號(hào)軸承上。機(jī)組的問(wèn)題在聯(lián)軸器，與一般四軸瓦機(jī)組振動(dòng)表現(xiàn)不同，振動(dòng)超標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在2號(hào)和3號(hào)軸承兩處。分析認(rèn)為，這主要是由于2號(hào)軸承自身剛度差的原因所致。

通過(guò)查閱圖紙資料并比較，3號(hào)瓦為球面瓦，支撐在球面座上，基于球面的設(shè)計(jì)，使得3號(hào)軸承的剛度較大；而2號(hào)瓦不是球面瓦，也未設(shè)調(diào)整墊塊，軸瓦直接支撐在軸承座凹窩上，剛度較小。所以，不平衡離心力會(huì)在薄弱處軸承表現(xiàn)出較大的振動(dòng)值。

圖1　發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器端面瓢偏測(cè)量

圖2　發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器圓周晃度測(cè)量

圖3　發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器示意圖

4　發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器的消缺處理

（1）抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，測(cè)量聯(lián)軸器瓢偏，以及兩半楔形平鍵的側(cè)部間隙，并做好記錄。平鍵的側(cè)部間隙按標(biāo)準(zhǔn)要求為±0.03mm，使用塞尺實(shí)際測(cè)量結(jié)果，在兩件對(duì)稱180°的平鍵上，一件側(cè)部間隙為0.20mm，另一件側(cè)部間隙為0.10mm，這一缺陷只能通過(guò)整修鍵槽和重新配置平鍵的方法來(lái)處理。

（2）松開(kāi)軸端的止退墊片和M130×4的鎖緊螺母。制作專用支架固定聯(lián)軸器，采用千斤頂稍加預(yù)應(yīng)力，結(jié)合氧氣-乙炔火焰加熱的方式，頂發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的端面中心，從錐度配合的結(jié)合面上，退出發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器。聯(lián)軸器基本未預(yù)熱時(shí)，千斤頂稍微加力，聯(lián)軸器即很容易退出，檢查圓錐配合的結(jié)合面，確認(rèn)為線接觸，證實(shí)對(duì)聯(lián)軸器缺陷的分析判斷準(zhǔn)確無(wú)誤。

（3）吊起發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器，采用多次涂色穿入聯(lián)軸器檢查接觸，并刮研錐度配合的結(jié)合面的方法，使其聯(lián)軸器錐度面的孔和轉(zhuǎn)子軸端的錐度逐漸趨于一致，即逐漸實(shí)現(xiàn)了錐度孔和轉(zhuǎn)子軸端的面接觸。

（4）錐度配合的結(jié)合面達(dá)到面接觸要求后，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上做好軸向限位塊和標(biāo)記，吊起發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器加熱。溫度達(dá)到150℃左右時(shí)，套裝聯(lián)軸器，檢查套裝到位。

（5）套裝聯(lián)軸器后，進(jìn)行聯(lián)軸器瓢偏檢查?？梢源_認(rèn)檢查結(jié)果肯定不合格，因?yàn)榻?jīng)過(guò)車削端面的處理，在聯(lián)軸器重新套裝后，真實(shí)接觸的端面則變?yōu)樾泵?。因此還需要用同樣的方法對(duì)聯(lián)軸器固定后的真實(shí)端面瓢偏進(jìn)行刮研處理。

（6）聯(lián)軸器端面瓢偏刮研處理合格后，即恢復(fù)安裝發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。缺陷處理后的機(jī)組，再次啟動(dòng)時(shí)，重新進(jìn)行了動(dòng)平衡調(diào)整。這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的處理，與廠內(nèi)組裝時(shí)聯(lián)軸器的質(zhì)量相比較出現(xiàn)了改變。

（7）經(jīng)重新動(dòng)平衡試驗(yàn)調(diào)整后，機(jī)組運(yùn)行中，2號(hào)和3號(hào)軸承處的振動(dòng)值以及在線監(jiān)測(cè)的2號(hào)軸振值下降，達(dá)到了規(guī)范要求。

5　體會(huì)

5.1聯(lián)軸器或無(wú)刷式勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的檢查

機(jī)組轉(zhuǎn)子上采用錐度孔配合套裝連接的轉(zhuǎn)子部件，例如聯(lián)軸器或無(wú)刷式勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子，安裝時(shí)應(yīng)有必要的檢驗(yàn)措施，例如對(duì)聯(lián)軸器兩點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行對(duì)稱厚度的測(cè)量檢查，對(duì)無(wú)刷式勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子，應(yīng)選表面粗糙度符合測(cè)量要求的位置進(jìn)行晃度測(cè)量檢查，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)子部件組裝與軸線傾斜的現(xiàn)象。

5.2聯(lián)軸器螺栓孔檢查

根據(jù)規(guī)范要求，安裝聯(lián)軸器螺栓不得過(guò)松或過(guò)緊。聯(lián)軸器螺栓與孔的間隙要求一般為0.01～0.03mm，還應(yīng)保證螺栓與孔的表面粗糙度符合規(guī)范要求。在螺栓和孔的表面涂透平油，用紫銅棒輕輕敲擊螺栓尾部，逐漸穿入聯(lián)軸器。

機(jī)組安裝時(shí)，聯(lián)軸器的部分螺栓穿入時(shí)較為困難。說(shuō)明聯(lián)軸器的傾斜，導(dǎo)致聯(lián)軸器部分螺栓孔也隨之傾斜，螺栓在穿入發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器的螺孔上出現(xiàn)了折線，這時(shí)更需要檢查聯(lián)軸器的厚度，判斷缺陷。

5.3應(yīng)注意影響機(jī)組膨脹的因素

（1）機(jī)組的循環(huán)水進(jìn)出口管道配置有伸縮蝶閥，安裝前應(yīng)留出充分的膨脹余量，試運(yùn)前應(yīng)注意檢查蝶閥的長(zhǎng)桿限位螺栓，解除沿壓縮方向的限制。

（2）凝結(jié)水泵入口管道的垂直管上應(yīng)設(shè)置波形補(bǔ)償器。

（3）凝汽器水側(cè)放水管安裝的走向，注意不要將垂直管直接埋入地面，應(yīng)改為水平管段排地溝，并有膨脹余量。

（4）主蒸汽管道支架布置方式，應(yīng)充分考慮不妨礙機(jī)組的膨脹。

上述事項(xiàng)都曾在各電站的機(jī)組試運(yùn)時(shí)，因膨脹不暢問(wèn)題造成振動(dòng)大的影響。

6　結(jié)語(yǔ)

泰國(guó)某水泥廠余熱電站1號(hào)汽輪機(jī)組2號(hào)和3號(hào)軸承出現(xiàn)的振動(dòng)偏大問(wèn)題，經(jīng)過(guò)測(cè)量檢查、分析判斷和機(jī)組動(dòng)平衡等針對(duì)性的缺陷處理，得到了有效的解決，為今后處置余熱電站機(jī)組的同類缺陷提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)平衡［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

TQ172.625.9

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